[논문 리뷰] Time-resolved OES of nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures]{Time-resolved optical emission spectroscopy of nanosecond pulsed discharges in atmospheric pressure N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures

R M van der Horst, T. Verreycken외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 20.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 2인용 수 67

한 줄 요약

이 연구는 대기압에서의 나노초 펄스 방전을 시간해상 분광법 및 레일리 산란을 이용해 N₂ 및 N₂/H₂O 혼합가스에서 조사한다. 전자 밀도는 최대 4×10²⁴ m⁻³에 도달하고, 재결합 단계 동안 기체 온도는 750 K에 도달하며, 퇴화 단계 동안 전자 생성이 뚜렷하게 관측되어, 유도 상태 및 진동적으로 자극된 종들이 펄스 이후 플라즈마 유지에 기여하는 역할을 확인한다.

ABSTRACT

In this contribution, nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/0.9% H$_{2}$O at atmospheric pressure (at 300 K) are studied with time-resolved imaging, optical emission spectroscopy and Rayleigh scattering. A 170 ns high voltage pulse is applied across two pin-shaped electrodes at a frequency of 1 kHz. The discharge consists of three phases: an ignition phase, a spark phase and a recombination phase. During the ignition phase the emission is mainly caused by molecular nitrogen (N$_{2}$(C-B)). In the spark and recombination phase mainly atomic nitrogen emission is observed. The emission when H$_{2}$O is added is very similar, except the small contribution of H$_α$ and the intensity of the molecular N$_{2}$(C-B) emission is less.

연구 동기 및 목표

• 나노초 펄스 방전 중 N₂ 및 N₂/H₂O 혼합가스에서 플라즈마 파라미터인 전자 밀도와 기체 온도를 측정하기 위해.
• 특히 라디칼 형성 및 발광 특성에 영향을 미치는 수증기(0.9%)의 영향을 조사하기 위해.
• 다양한 진단 기술을 활용하여 이전 문헌에서 보고된 전자 밀도 측정치의 모순을 해결하기 위해.
• 재결합 단계 동안 전자 밀도 유지에 기여하는 유도 상태 및 진동적으로 자극된 종의 역할을 이해하기 위해.
• 공기 청소 및 연소 향상 응용을 위한 향후 모델링에 적합한 정확한 시간해상 플라즈마 동역학 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 대기압에서 2 mm 갭의 tungsten 피니 전극에 170 ns 고전압 펄스(9 kV), 1 kHz 주기로 적용한다.
• 시간해상 영상 촬영을 통해 세 단계의 진화 과정을 기록: 발화(전류 없음), 스파크(고전류), 재결합(후방전).
• 광학적 발광 분광법(OES)을 통해 N₂ (C-B), 원자 N, Hα 선의 발광을 측정하여 스타크 폭발을 통해 전자 밀도를 추정한다.
• 레일리 산란을 이용해 기체 온도를 측정하며, 특히 재결합 단계에서의 온도를 중점적으로 분석한다.
• 전자 밀도는 746 nm에서의 N I 선 및 H₂O 함유 혼합가스에서의 Hα 선의 반폭(FWHM)을 기반으로 계산한다.
• 수증기는 N₂를 물을 통과시켜 버블링 방식으로 도입하여, 포화 조건에서 0.9% 농도를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 N₂와 N₂/H₂O 혼합가스에서 나노초 펄스 방전의 시간적 진화 및 발광 특성은 어떻게 다른가?
• RQ2 발화, 스파크, 재결합 단계에서 전자 밀도 및 기체 온도의 시간해상 값은 각각 얼마인가?
• RQ3 수증기 첨가가 전자 밀도, 기체 온도 및 분자 및 원자 질소의 발광 강도에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 이 연구에서 관측된 전자 밀도가 이전 연구에서 보고된 값보다 높은 이유는 무엇이며, 다양한 진단 기술 간 정확도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 재결합 단계 동안 지속되는 전자 밀도의 근본 원인은 무엇이며, 유도 상태 및 진동적으로 자극된 종은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 방전는 세 가지 명백한 단계로 진화한다: 발화(주로 N₂ (C-B) 발광), 스파크(주로 원자 N 발광), 재결합(잔여 발광 및 전자 밀도 감소).
• 레일리 산란 측정에 따르면 기체 온도는 발화 단계에서 약 350 K에서 방전 시작 후 1 µs에 약 750 K로 상승한다.
• 순수한 N₂ 및 N₂/H₂O 혼합가스에서 전자 밀도는 최대 4×10²⁴ m⁻³에 도달하며, 746 nm에서의 N I 선의 스타크 폭발을 통해 확인된다.
• N₂/H₂O 혼합가스에서는 Hα 발광이 수소 존재를 확인하고, Hα 선 폭발을 통해 전자 밀도를 산정할 수 있다.
• 재결합 단계에서 전자 밀도 감소 속도는 N I 선 기준 약 1.49×10⁷ s⁻¹, Hα 기준 약 8.6×10⁶ s⁻¹로, 전자-이온 재결합에 기대하는 것보다 훨씬 느리다.
• 지속적인 감소 및 지연된 N 발광은 펄스 이후 고에너지 상태의 질소 원자 생성을 시사하며, 이는 유도 상태 및 진동 상태에 에너지가 저장되어 있음을 나타낸다.